Extrémní podmínky vyžadují extrémní techniku. A fotografování objektů, od nichž přichází pouhé tisíce či jen stovky fotonů za sekundu zřejmě je jedním z takových extrémů. V běžném životě asi nikoho nenapadne fotografovat v téměř úplné tmě a pokud ano, vezme si na pomoc zábleskové osvětlení. Jsou ale oblasti, kde si přisvítit nemůžeme a přitom z pohledu běžné lidské zkušenosti se jedná prakticky o tmu. Příkladem takové oblasti je mikroskopie, kdy jsou vzorky díky extrémnímu zvětšení jen slabě osvětleny, a především astronomie, kde je jas fotografovaného objektu dán jeho svítivostí a vzdáleností a žádná možnost přisvícení samozřejmě nepřipadá v úvahu. Zachytit takový slabý objekt, ať už je to osamocená planetka vzdálená miliony kilometrů nebo celá galaxie vzdálená miliardy světelných let, skutečně vyžaduje pracovat podle hesla „ani foton nazmar“.

Jediný známý detektor schopný převést naprostou většinu dopadajícího světla na elektrický signál je CCD čip (i když moderní CMOS čipy pracující na podobných principech začínají CCD technologii dohánět). CCD čipy v roli detektorů světla překvapivě rychle smetly klasický filmový materiál vyžadující chemické zpracování (podobně jako kompaktní disky udělaly z černých desek starožitnost také během několika let). Digitální fotoaparáty ale netěží ani tak z vysoké citlivosti, jako spíše z flexibility, pohotovosti a snadného zpracování digitálních snímků. CCD čipy použité v digitálních fotoaparátech mají relativně malé pixely (pixel je základní obrazový element – jeden „čtvereček“ obrazu) a ty jsou ještě kryty barevnými filtry. Jejich kvantová účinnost není tedy příliš vysoká (kvantová účinnost, anglicky Quantum Efficiency – QE, vyjadřuje, kolik procent z dopadajících fotonů je přeměněno na elektrický signál) a pohybuje se kolem 20 až 30%. I citlivé klasické filmy mají QE kolem 2 až 3%. QE je také ovlivněno architekturou čipu, např. čipy se schopností tzv. elektronické závěrky, kdy je část plochy čipu kryta neprůhlednou maskou a slouží k uschování exponovaného obrazu před jeho digitalizací, mají nižší QE než čipy s celou plochou vyhrazenou k detekci světla. Speciální technologie, jako např. průsvitné elektrody nebo tzv. mikročočky na povrchu čipu, soustředící světlo z oblastí čipu na světlo necitlivých do oblastí citlivých, jsou schopny zvýšit QE až na 70 až 80%. Extrémem jsou čipy osvětlované zezadu (Back-illuminated CCD), nalepené armaturou (elektrodami) na podklad a zezadu ztenčené na tloušťku několika mikrometrů. Přes vysokou cenu dosahují tyto čipy QE až 90%.

Ani pokud dokážeme pomocí kvalitního CCD čipu zachytit a převést na signál kolem tří čtvrtin přicházejících fotonů, nemáme ještě vyhráno. Signál je elektronicky zpracováván a každá elektronika zanáší do zpracovávaného signálu šum. Potřebujeme tedy elektroniku vysoce sofistikovanou, která svým vlastním °šumem nepřehluší signál z CCD. Ačkoliv digitální kamery a fotoaparáty se vyznačují vysokou rychlostí digitalizace CCD snímků, dosahující milionů zpracovaných pixelů za sekundu, signál je typicky převáděn s 8 nebo 10 bitovou přesností. 12-bitový převodník je již výjimečný. Přitom ani 14-bitový převod na počítání jednotlivých fotonů nestačí a plný 16-bitový rozsah je nezbytný. Dosáhnout velmi nízkých úrovní šumu např. kvalitní digitální filtrací či časovou integrací (např. s použitím sigma-delta převodníku) není dnes zase tak velký problém, narážíme ale na rychlost zpracování. CCD čipy mají stovky tisíc a milióny pixelů a na snímek není možné čekat mnoho desítek sekund nebo i několik minut. Elektronika kvalitní CCD kamery tedy musí splňovat dva vzájemně si odporující požadavky – musí být rychlá a současně velice nízkošumová.

Vysoká kvantová účinnost CCD čipu spolu se sofistikovanou elektronikou stále nestačí na zachycení velmi slabých objektů. Další podmínkou je schopnost dlouhodobé integrace světla. Ačkoliv zkušené a dobře adaptované lidské oko dokáže, podobně jako CCD čip, zachytit velmi slabé zdroje světla, mozek zpracovává signál okamžitě a proto opravdu slabé zdroje již nevnímáme. Oproti lidskému oku ale CCD čip dovede shromažďovat náboj generovaný dopadajícími fotony v jednotlivých pixelech po dlouhou dobu. Astronomické snímky jsou běžně exponovány po dobu mnoha minut i několika hodin. Tedy i pokud okamžitý světelný tok nestačí na vytvoření obrazu s dostatečně dobrým poměrem signál/šum, díky dlouhé integraci náboje se poměr signál/šum dramaticky zlepší. Ovšem základní charakteristikou CCD čipů je tzv. „temný proud“ – náboj generovaný v jednotlivých pixelech i bez osvětlení, čistě v důsledku kvantových jevů v polovodiči. Temný proud je lineárně závislý na teplotě a typicky se zdvojnásobuje s každými 6 až 7 °C. Za pokojové teploty zpravidla temný proud zahltí CCD čip během několika desítek sekund. To je příčina relativně krátkých maximálních expozičních časů u digitálních fotoaparátů. Tzv. „temný snímek”, neboli obraz tepelného šumu pořízený bez osvětlení, je charakteristický pro konkrétní kus CCD čipu a za dané teploty a expoziční doby je dobře reprodukovatelný. Kvalitnější fotoaparáty dokáží po delších expozicích (např. delších jak 1 s) automaticky pořídit ještě temný sní mek a jeho odečtením od exponovaného snímku výrazně redukovat šum. Odečtení temného snímku se samozřejmě provádí i v rámci kalibrace dat pořízených vědeckými kamerami. Ty ale na rozdíl od běžných digitálních fotoaparátů disponují termoelektrickým chlazením čipu. Pokud je čip schlazen např. o 30 °C pod okolní teplotu, zredukuje se temný proud více jak 25x. Specializovaná kamera tak dokáže exponovat až 25 minut se stejnou úrovní šumu jako digitální fotoaparát s expozici 1 minuta. Uvážíme-li, že teplo generované elektroniku fotoaparátu i CCD čipem samotným teplotu snímače oproti okolní teplotě zvýší i o několik stupňů, bude rozdíl nejspíše ještě větší.

Vědecké CCD kamery řady G2

Všechny náročné požadavky na vysokou rychlost digitalizace, velmi nízký čtecí šum a kvalitní regulované chlazení čipu splňuje nová řada vědeckých CCD kamer řady G2 firmy Moravské přístroje. Kamery jsou vybaveny vysoce citlivými CCD čipy firmy Kodak řady KAF s mikročočkami na povrchu čipu, dosahujícími kvantové účinnosti až 85%. V nabídce jsou základní kamery s rozlišením 400 tisíc pixelů i kamery s rozlišením přes 3 milióny pixelů. Elektronika kamer obsahuje rychlý 16-bitový A/D převodník s korelovaným dvojnásobným snímáním a úrovní šumu kolem 16 elektronů, což odpovídá čtecímu šumu samotného CCD čipu (šum indukovaný vlastní elektronikou je řádově menší). Mechanická konstrukce kamer je velmi kompaktní a robustní. Veškerá elektronika i mechanika je ukryta v těle kamery o rozměrech 114x114x74 mm. Žádné externí moduly (CPU box, USB adaptér apod.) nejsou zapotřebí. Přímo v těle kamery je USB-B konektor pro připojení k počítači a napájecí konektor pro 12 V DC zdroj. V těle kamery je integrována nejen veškerá elektronika, ale také mechanická závěrka a filtrové kolo. Kamera je napájena libovolným zdrojem 12 V DC/3 A, není zapotřebí používat externí mnohaúrovňový zdroj. Může pracovat i z baterie nebo s použitím zcela běžného 12 V DC síťového adaptéru.

S počítačem kamery G2 komunikují po rychlém USB rozhraní a digitalizace jednoho snímku se pohybuje v řádu sekund. CCD čipy jsou chlazeny dvoustupňovým termoelektrickým chladičem o více jak 30 °C pod okolní teplotu. Vzhledem k požadavku na reprodukovatelnost tepelného šumu, je teplota čipu regulována s přesností 0,1 °C. Teplá strana chladiče je chlazena vzduchem, při použití vodního chlazení je možno dosáhnout ještě vyšší úrovně podchlazení.

Integrovaná mechanická závěrka umožňuje bezobslužné pořizování temných snímků. Filtrové kolo s 5 pozicemi pro standardní filtry v 1,25 palcových objímkách zabudované do těla kamery výrazně šetří náklady na externí filtrový karusel. S kamerou mohou být dodány vysoce kvalitní LRGB filtry německé firmy Astronomik, případně si zákazník může filtrové kolo osadit filtry podle svého přání. Toho využívají zejména astronomové preferující standardní fotometrickou řadu UBVRI filtrů či mikrobiologové používající CCD kameru ke snímání mikroskopických vzorků ve specifických vlnových délkách a používají k tomu úzkopásmové filtry.

Obslužný software

Vědecké kamery jsou navrhovány pro práci s počítačem, „samostatné“ snímání běžné např. u digitálních fotoaparátů není možné. Kamera je z počítače řízena a rovněž pořízené snímky jsou na počítači ukládány a zpracovávány. Data jsou ukládána v mezinárodně standardizovaném formátu FITS, umožňujícím ukládání obrazů s plným 16 i 32 bitovým rozlišením (FITS podporuje i ukládání obrázků v plovoucí řádové čárce) a především obrazy nijak nekomprimuje. Ztráta informace způsobená např. JPEG kompresí nemusí být okem vůbec postřehnutelná, vědecká měření ale může zásadním způsobem zkreslit.

Součástí dodávky kamery G2 je program SIMS (Simple Image Manipulation Program). SIMS zajišťuje nejen plnou kontrolu všech funkcí kamery, jako např. expozice snímků, nastavení filtru, regulace teploty čipu, apod., ale také dovoluje snímky prohlížet, zpracovávat, ukládat i exportovat do běžných formátů PNG a GIF. Podporováno je také sekvenční snímání v zadaných intervalech, včetně volby expozičních časů a výměny filtrů. Součástí programu jsou nástroje pro zobrazení histogramu, pro sčítání vícenásobných expozic se sub-pixelovou přesností, pro porovnání různých snímků, kombinaci snímků pořízených přes barevné filtry do barevných obrázků, geometrické transformace (překlápění, rotace, …), matematické operace včetně filtrace (např. medián, neostrá maska, apod.).

Více se o CCD kamerách řady G2 můžete dočíst na http://ccd.mii.cz/.

_{PC, pc@mii.cz}